Las puertas lógicas cuánticas de alta fidelidad aplicadas a los bits cuánticos (qubits) son los componentes básicos de los circuitos cuánticos programables. Los investigadores del Advanced Quantum Testbed (AQT) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) realizaron la primera demostración experimental de una puerta nativa iToffoli de alta fidelidad de tres qubits en un procesador de información cuántica superconductora y en un solo paso.

Los procesadores cuánticos ruidosos de escala intermedia suelen admitir puertas nativas de uno o dos qubits, los tipos de puertas que pueden implementarse directamente por hardware. Las puertas más complejas se implementan dividiéndolas en secuencias de puertas nativas. La demostración del equipo agrega una nueva y robusta puerta iToffoli nativa de tres qubits para la computación cuántica universal. Además, el equipo demostró un funcionamiento de la puerta de muy alta fidelidad con un 98,26 %. El avance experimental del equipo se publicó en Nature Physics esto puede.

Puertas lógicas cuánticas, circuitos cuánticos

El Toffoli o el NO-controlado-controlado (CCNOT) es una puerta lógica clave en la computación clásica porque es universal, por lo que puede construir todos los circuitos lógicos para calcular cualquier operación binaria deseada. Además, es reversible, lo que permite determinar y recuperar las entradas binarias (bits) de las salidas, por lo que no se pierde información.

En los circuitos cuánticos, el qubit de entrada puede estar en una superposición de estados 0 y 1. El qubit está físicamente conectado a otros qubits en el circuito, lo que dificulta la implementación de una puerta cuántica de alta fidelidad a medida que aumenta la cantidad de qubits. Cuantas menos puertas cuánticas se necesiten para calcular una operación, más corto será el circuito cuántico, lo que mejorará la implementación de un algoritmo antes de que los qubits pierdan la coherencia y causen errores en el resultado final. Por lo tanto, es fundamental reducir la complejidad y el tiempo de funcionamiento de las puertas cuánticas.

Junto con la puerta de Hadamard, la puerta de Toffoli forma un conjunto de puertas cuánticas universales, que permite a los investigadores ejecutar cualquier algoritmo cuántico. Los experimentos que implementaron puertas multi-qubit en las principales tecnologías informáticas (circuitos superconductores, iones atrapados y átomos de Rydberg) demostraron con éxito puertas Toffoli en puertas de tres qubit con fidelidades que promedian entre el 87 % y el 90 %. Sin embargo, tales demostraciones requirieron que los investigadores dividieran las puertas de Toffoli en puertas de uno y dos qubits, lo que alargaba el tiempo de operación de la puerta y degradaba su fidelidad.

Crear una puerta fácil de implementar

Para crear una puerta de tres qubits fácil de implementar para el experimento, AQT diseñó una puerta iToffoli en lugar de una puerta Toffoli convencional con una rotación de fase de "i" en el tercer (último) qubit aplicando pulsos de microondas simultáneos fijados en el misma frecuencia a tres qubits superconductores en una cadena lineal.

El experimento demostró, de manera similar a la puerta Toffoli, que esta puerta iToffoli de tres qubits se puede utilizar para realizar computación cuántica universal con alta fidelidad. Además, los investigadores demostraron que el esquema de compuertas en los procesadores cuánticos superconductores podría producir compuertas adicionales de tres qubits, que proporcionan una síntesis de compuertas más eficiente:el proceso de dividir las compuertas cuánticas en otras más cortas para mejorar los tiempos de funcionamiento del circuito.

Yosep Kim, uno de los investigadores líderes en el experimento y ex postdoctorado en AQT, es actualmente científico senior en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (Corea del Sur).

"Como resultado de la decoherencia, sabemos que una secuencia de puerta más larga y compleja perjudica la fidelidad de los resultados, por lo que el tiempo total de operación de la puerta para ejecutar un determinado algoritmo es significativo. La demostración demostró que podemos implementar una puerta de tres qubits en un paso y reduce la profundidad del circuito (la longitud de la secuencia de puertas) de una síntesis de puerta Además, a diferencia de los enfoques anteriores, nuestro esquema de puerta no incluye los estados excitados superiores del qubit propensos a la decoherencia, lo que da como resultado una puerta de alta fidelidad ", dijo Kim.

"Todavía estoy muy impresionado por la simplicidad y la fidelidad de esta puerta iToffoli. Ahora, usar una operación de tres qubits como la del trabajo puede acelerar significativamente el desarrollo de la aplicación cuántica y la corrección de errores cuánticos", dijo Alexis Morvan, ex postdoctorado en AQT y actualmente científico investigador en Google.

Aprovechando un laboratorio de investigación colaborativo de última generación

AQT es un laboratorio de investigación colaborativo de última generación para la ciencia de la información cuántica financiado por el programa de Investigación Científica Científica Avanzada de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. El laboratorio opera un banco de pruebas experimental de acceso abierto diseñado para una colaboración profunda con investigadores de Berkeley Lab y usuarios externos de la academia, los Laboratorios Nacionales y la industria. Estas colaboraciones interactivas permiten una amplia exploración de la ciencia de vanguardia en la plataforma superconductora de AQT que se basa en qubits, puertas y mitigación de errores de alta calidad, al mismo tiempo que prepara a las nuevas generaciones de investigadores en el campo.

"Estudié ciencias de la información cuántica utilizando un sistema fotónico durante mi doctorado, por lo que no tenía un buen conocimiento para realizar el experimento en un procesador superconductor", recordó Kim. "Pero debido a que el banco de pruebas experimental está tan bien establecido y hay muchos colegas interdisciplinarios que conocen el funcionamiento interno de la configuración y colaboraron en el experimento, pude saltar al experimento muy rápidamente sin mucha experiencia previa. Si no fuera así para la plataforma y el equipo de AQT, no creo que mis ideas se hubieran realizado a un nivel tan alto".

"AQT brinda a los investigadores y usuarios una oportunidad fantástica para colaborar con personas de diferentes orígenes y con intereses variados. Este proyecto iToffoli es un ejemplo de una polinización cruzada de ideas. Entonces, además del espíritu de libertad científica en AQT, nuestro trabajo también fue acelerado por la infraestructura bien establecida y la calibración constante, lo que nos permitió centrarnos en la física de nuestro proyecto específico sin desviarnos de las tareas periféricas. Además, una pila de control avanzada nos permitió explorar todas las implementaciones posibles para establecer protocolos cuánticos novedosos. ", dijo Long Nguyen, un postdoctorado actual en AQT.

Los investigadores esperan que los enfoques experimentales para puertas multi-qubit de alta fidelidad y fáciles de implementar, como las exploradas en AQT, desencadenen más estudios para diseñar diferentes puertas multi-qubit para el procesamiento de información cuántica novedosa. + Explora más

Demostración experimental de una puerta Toffoli en un sistema semiconductor de tres qubits